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可逆配仓带式输送机永磁变频电缆卷筒的控制及测试
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摘要：针对当前电缆卷筒自跟踪配仓带式输送机自制力不强所造成的电缆滑落、卷绕不畅与拉力过大等问题，研究了一种基于张力跟随的永磁变频电缆卷筒控制方法，即模糊与PID闭环选择控制系统，并对其控制方法进行了Simulink仿真及卷放缆工业性试验。试验结果表明，该控制方法不仅可解决上述问题，还可显著提升用户设备信息化及智能化水平。
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电缆卷筒在可逆多点配仓带式输送机系统中使用时，主要是为其驱动、行走电机、制动闸及操控系统提供电源和控制信号。在配煤行走过程中需使电缆卷筒与配仓带式输送机之间的电缆保持适合的张力和垂度，若卷绕电缆张力过大，会促使机械联接结构变形损坏甚至电缆崩断；若张力过小使卷绕电缆垂落在地，则会有电缆碾压破裂所带来的一系列风险。
因此本文对配仓带式输送机永磁变频电缆卷筒的控制方法进行研究，其控制系统的研发应用，不但可提高洗选煤场配仓系统的安全可靠性，还可显著提升其信息化及智能化水平。
1、电缆卷筒控制方法的研究
目前大多数电缆卷筒的卷速在设计时仅考虑了卷筒的卷绕速度与移动设备的线速度同步，或者以恒张力输出，没有对卷缆系统进行实时监控防护。而在实际应用中，卷缆线速度和所需张力还和卷筒上电缆的层数、电缆外径及长度有关，而且两者转动部分由于制造工艺及安装造成的误差积累也是不容忽视的，其加速度异步也会造成计算卷放长度误差累积，因此仅靠初始设计数据进行控制与计算是不可行的。
通过归纳分析，原电缆卷筒控制方法在使用中存在的问题主要有3点：①卷放电缆的实际长度问题；②加速度同步问题；③制造工艺和安装问题。配仓带式输送机及其电缆卷筒布置示意图如图1所示。
图1配仓带式输送机及电缆卷筒布置示意图
本文采用跟随电缆敷设的钢丝拉绳传感器解决卷放电缆的实际长度问题，得到卷放电缆的实时长度后，即可根据张力与垂度要求进行精准控制，亦可对由加速度异步及制造安装带来的误差积累进行调节。
使电缆卷筒定点与移动点之间保持适合的张力和垂度，其本质就是调节定点与移动点之间电缆的实时长度，也就是运行过程中电缆卷筒转速与可逆配仓带式输送机的行走速度调节，即张力的调节。可逆配仓带式输送机根据其工艺特性，其行走电机往往配置普通的小功率三相异步电动机，不具备无级调控功能，因此只能将电缆卷筒中的永磁电机作为调控对象。目前对永磁电机的控制一般可分为速度控制和转矩控制，为保证电缆在卷放作业或者静态下均具有合适的张力和垂度，本文选择转矩方式进行调控，并将电缆实时长度、可逆配仓寻址位置及行走速度作为参照信息。
定点与移动点之间的电缆在满足电缆垂度情况下，所需的最小张力
本文中，在各固定配料点所需最小张力如表1所示，仅L为变量，其他值均在设计时拟定。
表1各配点电缆所需最小张力
由表1数据可知，电缆在满足垂度条件下最远配点所需最小张力为12 477.27 N，综合考虑传动效率、功率储备、卷放缆速度及电机类型等因素，本文选择7.5 k W TYCX132M-4-7.5永磁变频电动机与11 k W四象限变频器作为驱动进行调控研究。
本文调控的目的就是令永磁变频电缆卷筒实时输出适合的张力使电缆在卷放过程及静态下均可满足垂度条件，因此重点要解决的就是张力的增减与可逆配仓带式输送机行走方向与速度的实时精准配合，由于可逆配仓带式输送机的行走电机往往会受电网和负载影响，其加速度和速度不具备参考计算条件，卷放缆的实时长度信息也将不是一个符合线性关系的数值。
根据可逆多点配仓带式输送机运行工艺，其当下位置和下一个配料点均是已知信息，即卷筒张力和卷放缆长度的取值阈值是一定的，如本文中共5个配仓点，假设因生产调度需求，配仓位置需从配点1移至配点3，则卷筒所需最小张力取值区间为[4 302.51,8 174.76]N，放缆长度区间为[21,39.9]m，因此只需在其定点行走过程中做到输出张力在长度区间内即时跟随所需最小张力即可。由上分析可知，很难利用精准的数学模型对电缆卷放长度，即实时所需张力进行计算，现依据随电缆敷设的拉绳传感器长度信息得到所需最小张力值Fmin作为基本反馈，可轻易得出控制输出张力Fout与Fmin之间的实时误差e及其变化率ec。
通过上述分析，如采用模糊控制的方法则可有效避免计算电缆长度变化所带来的困扰，只需为其制定基于现场专家经验的模糊控制规则，令Fout与Fmin即时趋于重叠，避免尖峰和振荡，根据本文控制所需的输入输出信息，可选用Mamdani两输入一输出型模糊控制器。系统单独使用Mamdani模糊控制器虽然可使其具有较好的鲁棒性，但由于它是基于离散的语言变量规则进行控制的，在工作点附近往往容易引起稳态误差问题，本文拟另增PID作为工作点附近的补充控制，其积分作用在工作点附近的小范围内有较好的调节效果，可以有效消除系统的稳态误差。这种双控制器Switch结构结合了两者的优点，做到了优势互补。
根据配仓顺序分别按上述控制方法进行运算处理，并将决策结果录入控制中心数据块中，在执行配仓过程中实时查找进行张力输出。
2、控制系统Simulink仿真
通过以上控制方法的分析，可知Fmin在可逆配仓带式输送机执行定点配仓任务时的取值区间是一定的，取其与Fout的实时误差e及其变化率ec作为模糊控制器的输入，Fout作为输出进行设计，论域均取[-6,6]，采用7个三角形隶属度函数，去模糊选取重心法，控制规则及推理输入特性曲面如图2所示。
图2模糊控制规则及推理输入特性Surface图
考虑到系统的实时稳定性，传递函数
采用式（2）进行输出控制。
在MATLAB中启用Simulink对PID进行仿真整定，搭建系统控制仿真逻辑如图3所示，Fuzzy Logic及PID Controller按前面分析整定进行参数分配，e＿REMOVE选择开关以时间为条件，选择工作点（启停）进行延时接通。
图3 FUZZY/PID SWITCH仿真逻辑图
输入选择阶跃信号，启动仿真后，双击Scope可以看出，输出的跟随曲线在阶跃段较为平滑，超调结果满足工程需求，在后期基本保持了实时跟随覆盖，如图4所示。
图4系统仿真Scope曲线图
3、永磁变频电缆卷筒工厂试验
为验证仿真结果及工程中系统的可靠性，对本文中的系统进行了工厂试验，试验目的是分析电缆卷筒输出力矩与拟定力矩的跟随情况，因此对2套永磁变频电缆卷筒做对拉试验，一台拟做可逆多点配仓带式输送机的行走电机作为主动出力端（记为T1），另一台采用本文研究的控制系统作为被动出力端，即主要观察对象（记为T2),2台卷筒之间采用钢丝绳作为拉力传输媒介。工厂对拉试验取得的数据如表2所示。
表2永磁变频电缆卷筒对拉试验转矩记录表
4、结语
通过对本文研究的配仓带式输送机永磁变频电缆卷筒控制方法进行MATLAB Simulink仿真和工厂对拉试验，工厂试验的实际输入信号比仿真用的阶跃信号更易跟随，两者数据均表明了此控制方法的有效性，达到了张力跟随的实时效果。该控制方法的应用提高了洗选煤场配仓系统的安全可靠性，还显著提升了其信息化及智能化水平。
参考文献:
[1]曹连民,崔久龙,刘现文,等.连续采煤机电缆卷放装置设计[J].煤矿机械,2019,40(6):108-111.
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文章来源:曾超,聂永朝.可逆配仓带式输送机永磁变频电缆卷筒的控制及测试[J].煤矿机械,2024,45(11):64-66.
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2024-11-03
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